馬成功 李 梁 張 凡 于津濤

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,北京 100176)

近年來(lái),大氣污染加劇,霧霾天氣頻發(fā),嚴(yán)重影響了人們的身心健康和生活質(zhì)量,引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。柴油車(chē)由于排放污染嚴(yán)重,一直是汽車(chē)排放領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。柴油車(chē)氮氧化物(NOx)排放量超過(guò)汽車(chē)排放總量的80%,顆粒物(PM)超過(guò)90%[3],因此有效控制柴油車(chē)污染物排放是控制機(jī)動(dòng)車(chē)排放的關(guān)鍵任務(wù)。

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(GB 17691—2018)(即國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)),相對(duì)于國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn),新增了車(chē)載排放測(cè)試(PEMS)要求、限值及車(chē)載診斷系統(tǒng)(OBD)檢查。在用車(chē)的排放監(jiān)督主要依據(jù)《柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(自由加速法及加載減速法)》(GB 3847—2018)進(jìn)行環(huán)保定期檢驗(yàn)監(jiān)督,其中對(duì)于柴油車(chē)主要使用加載減速法(Lugdown)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行判定,因此機(jī)動(dòng)車(chē)年檢是保證在用車(chē)排放達(dá)標(biāo)的主要措施[4]。

國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格,因此整車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)家不得不采取更復(fù)雜的技術(shù)路線(xiàn)來(lái)達(dá)到降低排放的目的[5-7]。目前滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油車(chē)常用的技術(shù)有廢氣再循環(huán)(EGR)、選擇性催化還原(SCR)、催化氧化器(DOC)和顆粒捕集器(DPF)等。排放控制技術(shù)路線(xiàn)可根據(jù)EGR和SCR利用率的不同分為3種：無(wú)EGR+高SCR、低(中)EGR+SCR和高EGR+無(wú)SCR,目前國(guó)內(nèi)主流的技術(shù)路線(xiàn)為低(中)EGR+SCR[8]。隨著車(chē)輛使用年限和行駛里程的增加,各排放部件的劣化風(fēng)險(xiǎn)也逐漸升高[9]。本研究通過(guò)模擬重型國(guó)六在用柴油車(chē)排放部件劣化,采用PEMS和Lugdown試驗(yàn)研究部件劣化后車(chē)輛的排放特性,為在用柴油車(chē)排放監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)修訂提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 測(cè)試車(chē)輛及設(shè)備

本研究選取一輛N2類(lèi)、采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線(xiàn)的國(guó)六在用柴油車(chē),樣車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樣車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of prototype and engine

PEMS設(shè)備為HORIBA OBS-ONE便攜式車(chē)載排放分析儀;Lugdown測(cè)試采用的是FLN-210汽車(chē)NOx分析儀及FLB-100透射式煙度計(jì)組成的加載減速測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試過(guò)程使用聲光法煙度計(jì)(AVL483)對(duì)樣車(chē)排放的碳煙(Soot)濃度進(jìn)行測(cè)量記錄、使用OBD診斷軟件(Silver Scan-Tool)讀取車(chē)輛OBD信息。

1.2 測(cè)試方法

本研究分別對(duì)EGR、DPF和SCR不同劣化程度的車(chē)輛進(jìn)行PEMS和Lugdown測(cè)試,同時(shí)對(duì)樣車(chē)進(jìn)行OBD檢查。其中,EGR劣化通過(guò)更換卡滯的EGR閥劣化件。DPF劣化研究分為載體泄露和載體移除兩種,其中載體泄露是將壁流式載體部分通道破壞,破壞的通道能直通,以此來(lái)達(dá)到載體泄露的目的[10],其漏氣量使用載體破損率表示,載體破損率=破損通道數(shù)/全部通道數(shù),本研究的載體通道破損率為35%。SCR部件劣化程度難以控制,因此通過(guò)降低尿素濃度來(lái)達(dá)到降低SCR轉(zhuǎn)化效率的目的。車(chē)輛正常使用的尿素為32.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),該車(chē)最小可接受的尿素濃度(CDmin)為28.5%,根據(jù)劣化程度的不同,本研究分別使用尿素為0(即水)、22.9%、28.7%、32.5%(即正常)的溶液來(lái)模擬SCR不同程度的劣化。

每次PEMS嚴(yán)格按照GB 17691—2018進(jìn)行,以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。為降低隨機(jī)性因素的影響,每次試驗(yàn)重復(fù)多次,結(jié)果取平均值。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 工況對(duì)比分析

根據(jù)PEMS和Lugdown測(cè)試的OBD數(shù)據(jù),對(duì)比研究不同測(cè)試方法對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,結(jié)果如圖1所示。PEMS工況點(diǎn)較分散,由于PEMS過(guò)程需要車(chē)輛在實(shí)際道路上行駛,因此其工況分布更接近實(shí)際。Lugdown測(cè)試主要采集實(shí)測(cè)最大輪邊功率時(shí)的轉(zhuǎn)鼓線(xiàn)速度(VelMaxHP)點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的排放數(shù)據(jù),因此其對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)更集中,主要分布在轉(zhuǎn)速為2 400、3 000 r/min對(duì)應(yīng)的外特性曲線(xiàn)點(diǎn)附近。

圖1 PEMS和Lugdown測(cè)試工況點(diǎn)分布Fig.1 Operating point distribution of PEMS and Lugdown tests

李琳琳[11]研究表明,由于在高負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量增加,缸內(nèi)燃燒不充分,在高負(fù)荷工況下的PM排放要高于較低負(fù)荷工況;同樣在高負(fù)荷工況下,缸內(nèi)燃燒溫度增加,發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣的NOx增加,但由于排氣溫度的升高,SCR的轉(zhuǎn)化效率更高,使得柴油車(chē)尾氣中的NOx排放反而低于低負(fù)荷工況[12]。因此,從兩者的工況點(diǎn)分布可看出,Lugdown測(cè)試更偏向于高負(fù)荷工況,使用該方法得到的PM結(jié)果偏高,而NOx結(jié)果偏低。相對(duì)來(lái)說(shuō),PMES結(jié)果更能反映車(chē)輛的實(shí)際排放水平。

2.2 排放數(shù)據(jù)分析

PEMS數(shù)據(jù)使用功基窗口法進(jìn)行計(jì)算,使用第90%位窗口排放結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;Lugdown測(cè)試結(jié)果使用GB 3847—2018規(guī)定的轉(zhuǎn)鼓速度穩(wěn)定后9 s內(nèi)的算術(shù)平均值,兩種測(cè)試方法的法規(guī)限值如表2所示。AVL483記錄的Soot濃度同樣使用對(duì)應(yīng)9 s內(nèi)的算術(shù)平均值進(jìn)行分析;使用Silver Scan-Tool讀取車(chē)輛OBD信息,驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)出情況。

表2 柴油車(chē)PEMS和Lugdown測(cè)試法規(guī)限值Table 2 Regulatory limits for diesel vehicel under PEMS and Lugdown tests

2.2.1 EGR閥卡滯

對(duì)EGR閥卡滯前后的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理計(jì)算,PEMS和Lugdown測(cè)試結(jié)果如圖2所示。正常狀態(tài)下,PEMS和Lugdown測(cè)試的排放結(jié)果均低于法規(guī)限值。EGR閥卡滯后,兩種測(cè)試的PM排放相差不大,但NOx均有明顯增加,且劣化后PEMS的結(jié)果遠(yuǎn)超其法規(guī)限值,但Lugdown測(cè)試結(jié)果仍在其法規(guī)限值內(nèi)。

圖2 EGR閥卡滯前后測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results before and after EGR valve stuck

AVL483測(cè)量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表3所示。EGR閥卡滯前后Soot平均排放濃度基本不變;EGR閥卡滯后,OBD根據(jù)EGR流量傳感器和后處理NOx傳感器的異常信號(hào)報(bào)出相應(yīng)的A類(lèi)故障。

表3 EGR閥卡滯前后Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 3 Soot emission and OBD inspection results before and after EGR valve stuck

2.2.2 DPF劣化

模擬載體泄露和載體移除兩種劣化,對(duì)不同劣化程度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理計(jì)算,測(cè)試結(jié)果如圖3所示。DPF劣化后,兩種測(cè)試的NOx結(jié)果相差不大,但PM結(jié)果均有明顯增加,且隨著劣化程度的增加,排放逐漸升高。不同的是PEMS的PN結(jié)果在DPF輕微劣化時(shí)(即載體泄露)就已遠(yuǎn)超其法規(guī)限值,而Lugdown測(cè)試結(jié)果在載體移除后仍在其法規(guī)限值內(nèi)。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出,DPF劣化后無(wú)法對(duì)全部PM進(jìn)行有效捕捉,使得部分發(fā)動(dòng)機(jī)原排直接通過(guò)DPF,導(dǎo)致PM排放增加。

圖3 不同劣化程度DPF的測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of DPF with different degradation degree

AVL483測(cè)量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表4所示。DPF劣化后,AVL483測(cè)量的Soot排放濃度明顯增加。OBD根據(jù)DPF前后的壓差傳感器來(lái)判斷DPF是否正常工作。在載體泄露的情況下,OBD未能有效識(shí)別到DPF故障;但載體移除后,OBD可識(shí)別并報(bào)出A類(lèi)故障。

表4 DPF在不同劣化程度下的Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 4 Soot emission and OBD inspection results of DPF under different degrees of deterioration

2.2.3 SCR轉(zhuǎn)換效率低

通過(guò)降低尿素濃度進(jìn)行模擬,對(duì)不同劣化程度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。SCR劣化后,兩種測(cè)試的PM排放結(jié)果相差不大,但NOx排放均隨著劣化程度的增加(即尿素濃度的降低)而升高。在尿素為0、22.9%時(shí),PEMS的NOx排放結(jié)果超過(guò)其法規(guī)限值,而Lugdown測(cè)試結(jié)果雖有增加,但均在其法規(guī)限值內(nèi)。

圖4 不同劣化程度的SCR測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of SCR with different degradation degree

為進(jìn)一步比較EGR和SCR的凈化效果,對(duì)PEMS測(cè)試中不同路況下的NOx排放進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖5。EGR閥卡滯后各路況下NOx排放均明顯增加,主要是因?yàn)镋GR閥卡滯后導(dǎo)致原排NOx排放增加,但隨著車(chē)速增加,排溫升高,市區(qū)、市郊、高速NOx排放逐漸降低,其與SCR對(duì)NOx的轉(zhuǎn)換效率相關(guān)。SCR劣化后各路況下NOx排放均隨著劣化程度的增加而升高。SCR未完全失效時(shí),市區(qū)NOx排放最高,市郊和高速工況相差不多;尿素?fù)Q水后,SCR完全失效,NOx排放趨勢(shì)與EGR失效不同,高速NOx排放最高、市郊最低。該狀況下決定NOx排放的除發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況外,只有EGR對(duì)NOx生成有抑制作用,而且抑制效果與EGR率相關(guān)。

AVL483測(cè)量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表5所示。不同劣化程度下的Soot平均排放濃度的變化進(jìn)一步驗(yàn)證SCR轉(zhuǎn)化效率低對(duì)PM的排放影響較小。OBD在尿素濃度高于CDmin時(shí)沒(méi)有故障報(bào)出。當(dāng)尿素為22.9%時(shí),報(bào)出尿素品質(zhì)相關(guān)的A類(lèi)故障;尿素?fù)Q水后,OBD報(bào)出尿素品質(zhì)和NOx超標(biāo)兩種A類(lèi)故障。

2.3 結(jié)果匯總及建議

本研究共進(jìn)行了7種不同部件、不同劣化程度的項(xiàng)目研究,所有測(cè)試的判定結(jié)果匯總?cè)绫?所示。PEMS對(duì)國(guó)六柴油車(chē)劣化最靈敏,OBD檢查次之,Lugdown測(cè)試最差。采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線(xiàn)的國(guó)六柴油車(chē)在排放部件劣化后,污染物排放升高。但由于其燃燒較優(yōu)化,排放水平接近甚至優(yōu)于低排放階段柴油車(chē)。因此,Lugdown對(duì)不同排放階段的柴油車(chē)采用相同的法規(guī)限值不太合理。金博強(qiáng)等[13]的研究同樣表明,Lugdown測(cè)試限值太高,現(xiàn)行法規(guī)限值無(wú)法對(duì)國(guó)六柴油車(chē)進(jìn)行有效監(jiān)督。為此本研究提出以下建議：(1)建議對(duì)排放水平較高的柴油車(chē)提前實(shí)施排放限值b或針對(duì)不同排放階段的柴油車(chē)分別制定Lugdown排放限值。(2)建議國(guó)六柴油車(chē)Lugdown測(cè)試深入結(jié)合OBD,提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。(3)建議使用AVL483、AVL439等精確度更高的設(shè)備代替煙度計(jì)對(duì)柴油車(chē)進(jìn)行PM排放監(jiān)督,使用NOx快速檢測(cè)儀等設(shè)備對(duì)柴油車(chē)NOx進(jìn)行排放監(jiān)督。

圖5 不同路況下的NOx排放Fig.5 NOx emission under different road conditions

表 5 SCR在不同劣化程度下的Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 5 Soot emission and OBD inspection results of SCR under different degrees of deterioration

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線(xiàn)的國(guó)六柴油車(chē),EGR、SCR劣化均能導(dǎo)致NOx排放結(jié)果升高,NOx無(wú)法滿(mǎn)足PEMS的法規(guī)限值,OBD也均能報(bào)出故障警示,Lugdown測(cè)試結(jié)果雖有升高,但無(wú)法判定排放超限。

表6 測(cè)試結(jié)果匯總1)Table 6 Summary of test results

(2) 采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線(xiàn)的國(guó)六柴油車(chē),隨著DPF劣化程度的增加,PN排放明顯升高,超出PEMS的法規(guī)限值,OBD系統(tǒng)僅在載體移除后報(bào)出故障,而Lugdown測(cè)試結(jié)果同樣無(wú)法判定排放超限。

(3) Lugdown測(cè)試總通過(guò)率遠(yuǎn)高于PEMS和OBD測(cè)試,難以對(duì)國(guó)六在用柴油車(chē)排放進(jìn)行有效監(jiān)督,建議對(duì)高排放標(biāo)準(zhǔn)的Lugdown限值進(jìn)行加嚴(yán),或使用精確度更高的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

(4) 由于重型柴油車(chē)存在多種技術(shù)路線(xiàn),本研究樣本單一,研究結(jié)論對(duì)于其他技術(shù)路線(xiàn)的國(guó)六柴油車(chē)適用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。